超大型桅杆起重机结构设计分析研究

刘 洋 史振玺 唐京津

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200135)

大型桅杆起重机(简称桅杆吊)在大型钢构件的吊装和海上风电的应用中发挥着巨大作用。大型桅杆吊的吊装吨位由原来的十几吨发展到目前的近千吨的重量，其安全性在目前的发展过程中发挥重要作用。因此，对应大型桅杆吊的强度和刚度研究分析越来越受到关注，强度和刚度的计算对于整机的安全性发挥重要作用。

本文以某港口的600 t大型桅杆吊为研究对象，该起重机坐落于某大型材料码头的前沿，对应功能主要将船体的物品卸到相关的平板车或者卡车上，或者将对应的超重物件装载到相应的船体或平板驳上。对应的桅杆吊主要通过地基将上部载荷传递到地面上，通过桅杆吊的变幅机构实现对货物的水平位置移动，通过桅杆吊的起升机构实现对货物的垂直位置移动。通过变幅机构和起升机构的联动，实现桅杆吊对大型货物构件的装卸作业。本文利用有限元软件建立有限元模型，处理后得到其对应的计算应力和应变，分析对应的计算结果，提出优化措施。

1 桅杆吊模型的建立

大型桅杆吊主要由臂架、人字架、基础固定装置、起升机构、电气控制系统等部件组成。考虑到自重的影响，对应的臂架采用Q460B高强度钢材，对应的人字架采用Q355B低碳钢，对应的基础固定装置采取Q355B材料。对应的起升机构、电气控制系统等相关附件均采用集中单元的型式来表达，对应的臂架和人字架采用ANSYS里BEAM189单元，对应的钢丝绳采用Lin10单元，对应的吊重货物采用mass21单元来建立该桅杆吊模型如图1。

图1 600 t桅杆吊有限元模型Figure 1 Finite element model of 600 t mast crane

2 加载和约束

在吊装过程中，桅杆吊主要是起升机构和变幅机构两个机构同时作用的过程。因此对应的人字架底端和后拉杆均采用全约束的方式，对应的臂架主要约束垂向位置、偏摆方向的位置，其余方向的约束都放开。

对应机构和钢丝绳的重量作用在结构的局部，以均布载荷的型式作用在对应的结构上，对应的起升机构、变幅机构和电气控制系统以质量单元的型式作用在对应位置。

在吊装的过程中，桅杆吊主要受到自重载荷、吊装载荷、风载荷等相关载荷作用，对应的载荷加载在相应位置。

3 模型计算

通过ANSYS后处理，加载相应的载荷，约束相应位置的自由度。计算最大工作幅度，起重量为1.1倍的载荷情况的最大应力，如图2所示。

图2 应力云图Figure 2 Stress nephogram

根据桅杆吊的吊装经历，对应的桅杆吊在吊装过程中，主要计算其对应的最大应力，并与对应材料的许用应力相比较，对应的应力值小于许用值，满足安全性的要求。对应的最大应力和许用压力详见表1。

表1 大型桅杆吊应力计算值Table 1 Calculated stress values of large mast crane

依据桅杆吊的吊装曲线，对应吊装过程实现对应的全幅度600 t的作业范围，因此对应最恶劣工况主要集中在最大幅度吊装600 t的工况。此时，对应臂架和人字架的受力最大，是该桅杆吊作业过程对应的最危险工况。臂架作业的过程中，臂架与地面角度最小，对应的垂向力最大，臂架的箱型截面主要承受轴向力、弯矩和剪力，对应的受力分析如下：

(1)臂架的主弦杆主要承受轴向力的影响、对应剪力和弯矩的影响，主要工况情况下，依据第三强度理论，最终作用在臂架截面上的应力是最终的合成应力，依据有限元计算理论，对应的吊重力矩产生的应力对臂架的影响较大。

(2)臂架的腹杆主要承受臂架吊装过程中产生的剪力，另外腹杆对臂架的组成框架截面和增加刚性有着重要的作用。另外在设计的过程中还需要控制对应腹杆的长细比和制造过程中的焊接变形的影响。

对应的人字架在作业过程中，对应的前部杆件主要承受吊装过程中产生的压力，对应的后拉杆主要承受吊装过程中产生的拉力。人字架承受的其他载荷主要有自重载荷、风载荷、起升钢丝绳产生拉力和变幅钢丝绳产生拉力。对应的最恶劣的工况主要集中在最大幅度吊装600 t时的工况，对应的受力分下如下：

(1)人字架的前部杆件主要承受吊装过程中产生的压力，由于对杆件整体稳定性有影响，因此需要考虑大型钢结构的折减系数，可以参照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中关于安全系数的描述，建议对于大型桅杆吊的人字架的折减系数取0.8～0.85之间，保证起重机的作业安全。

(2)人字架的后部杆件主要承受吊装过程中产生的拉力，对杆件整体稳定性没有影响。因此在保证安全的情况，尽量将人字架拉杆的许用应力尽可能最大化。依据工程设计经验，对于大型桅杆吊后拉杆的结构件，一般情况下如果采用Q355材料，建议对应的应力计算值取200 MPa左右。这样既能保证人字架作业的安全性，又能保证其经济性。

4 局部模型计算

大型桅杆吊的主要结构件是臂架和人字架，对局部模型中臂架头部的结构有非常重要的作用，对应大型桅杆吊的吊装安全有支撑作用，因此必须对其进行局部分析，采用对称模型施加载荷，得到计算结果如图3。

图3 臂架头部应力云图Figure 3 Stress nephogram of boom head

大型桅杆吊臂架头部一般采用箱型梁结构，对应的滑轮座采取腹板完全贯穿的原则，保证在作业的过程，不容易脱落。由于大型桅杆吊的滑轮受力都比较大，因此在实际制造过程中，必须保证滑轮座的腹板与箱型梁上盖板之间的焊缝质量，通常都需要焊缝检测。大型桅杆吊的头部箱型结构中，对应的横隔板数量较多，有些结构人员可以进入到其内部，保证焊接质量，有些箱型梁截面比较狭小，在其机构的设计过程中必须保证焊接工艺和焊接质量的检验。应具体情况具体分析。

5 结论

(1)大型桅杆吊在现场的应用中，对应臂架受力较大，在考虑其经济性条件下，对于臂架的材料建议选择高强度钢。既能减轻其自重应力的影响，又节约成本。因此对应大型桅杆起重机臂架采用高强度钢。

(2)大型桅杆吊的人字架在实际使用过程中，受力明确，计算简便。考虑目前市场成本，建议对人字架采用普通低碳钢，既能节省成本，又可以保证焊缝质量。

(3)大型桅杆吊的人字架的前部拉杆，设计过程中必须考虑稳定性对其影响，因此对应的许用应力相对低一些；对应的人字架的后部拉杆，主要是拉力的影响，主要影响经济性，可以考虑对应的许用应力相对高一些。

(4)大型桅杆吊的头部受力不明确，且存在局部应力集中的情况，因此对应的结构需要做强一些，避免在使用过程中产生弯曲和疲劳破坏。

(5)该计算方法具有参考性，可以对其他大型桅杆起重机或门座起重机的设计提供参考。